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    <title>并发——详细介绍CAS机制 | 博客主页 | 世界是个球，前方总有路！</title>
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        <h1 class="title">并发——详细介绍CAS机制</h1>
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                <time datetime="2020-03-27T13:27:23.000Z" itemprop="datePublished" class="page-time">
  2020-03-27
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	<ul class="article-category-list"><li class="article-category-list-item"><a class="article-category-list-link" href="/blog/categories/%E5%B9%B6%E5%8F%91/">并发</a></li></ul>

            
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        <nav class="post-toc-wrap post-toc-shrink" id="post-toc">
            <h4>TOC</h4>
            <ol class="post-toc"><li class="post-toc-item post-toc-level-2"><a class="post-toc-link" href="#一、前言"><span class="post-toc-number">1.</span> <span class="post-toc-text">一、前言</span></a></li><li class="post-toc-item post-toc-level-2"><a class="post-toc-link" href="#二、正文"><span class="post-toc-number">2.</span> <span class="post-toc-text">二、正文</span></a><ol class="post-toc-child"><li class="post-toc-item post-toc-level-3"><a class="post-toc-link" href="#emsp-2-1-乐观锁与悲观锁"><span class="post-toc-number">2.1.</span> <span class="post-toc-text">&amp;emsp;2.1 乐观锁与悲观锁</span></a></li><li class="post-toc-item post-toc-level-3"><a class="post-toc-link" href="#emsp-2-2-什么是CAS？"><span class="post-toc-number">2.2.</span> <span class="post-toc-text">&amp;emsp;2.2 什么是CAS？</span></a></li><li class="post-toc-item post-toc-level-3"><a class="post-toc-link" href="#emsp-2-3-Java中CAS的使用"><span class="post-toc-number">2.3.</span> <span class="post-toc-text">&amp;emsp;2.3 Java中CAS的使用</span></a></li><li class="post-toc-item post-toc-level-3"><a class="post-toc-link" href="#emsp-2-4-CAS机制的ABA问题"><span class="post-toc-number">2.4.</span> <span class="post-toc-text">&amp;emsp;2.4 CAS机制的ABA问题</span></a></li><li class="post-toc-item post-toc-level-3"><a class="post-toc-link" href="#emsp-2-5-CAS的优缺点以及适用场景"><span class="post-toc-number">2.5.</span> <span class="post-toc-text">&amp;emsp;2.5 CAS的优缺点以及适用场景</span></a></li></ol></li><li class="post-toc-item post-toc-level-2"><a class="post-toc-link" href="#三、总结"><span class="post-toc-number">3.</span> <span class="post-toc-text">三、总结</span></a></li><li class="post-toc-item post-toc-level-2"><a class="post-toc-link" href="#四、参考"><span class="post-toc-number">4.</span> <span class="post-toc-text">四、参考</span></a></li></ol>
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<article id="post-并发——详细介绍CAS机制"
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        <h1 class="post-card-title">并发——详细介绍CAS机制</h1>
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            <time class="post-time" title="2020-03-27 21:27:23" datetime="2020-03-27T13:27:23.000Z"  itemprop="datePublished">2020-03-27</time>

            
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        <div class="post-content" id="post-content" itemprop="postContent">
            <h2 id="一、前言"><a href="#一、前言" class="headerlink" title="一、前言"></a>一、前言</h2><p>&emsp;&emsp;今天花了点时间了解了一下<code>JDK1.8</code>中<code>ConcurrentHashMap</code>的实现，发现它实现的主要思想就是依赖于<code>CAS</code>机制。<code>CAS</code>机制是并发中比较重要的一个概念，所以今天这篇博客就来详细介绍一下<code>CAS</code>机制以及<code>Java</code>中对<code>CAS</code>的适用。</p>
<br>

<h2 id="二、正文"><a href="#二、正文" class="headerlink" title="二、正文"></a>二、正文</h2><h3 id="emsp-2-1-乐观锁与悲观锁"><a href="#emsp-2-1-乐观锁与悲观锁" class="headerlink" title="&emsp;2.1 乐观锁与悲观锁"></a>&emsp;2.1 乐观锁与悲观锁</h3><p>&emsp;&emsp;在讲<code>CAS</code>之前，先来理解两个概念，即乐观锁和悲观锁：</p>
<blockquote>
<ul>
<li>乐观锁：在并发下对数据进行修改时保持乐观的态度，认为在自己修改数据的过程中，其他线程不会对同一个数据进行修改，所以不对数据加锁，但是会在最终更新数据前，判断一下这个数据有没有被修改，若没有被修改，才将它更新为自己修改的值；</li>
<li>悲观锁：在并发下对数据进行修改时保持悲观的态度，认为在自己修改数据的过程中，其他线程也会对数据进行修改，所以在操作前会对数据加锁，在操作完成后才将锁释放，而在释放锁之前，其他线程无法操作数据；</li>
</ul>
</blockquote>
<p>&emsp;&emsp;<code>CAS</code>其实就是乐观锁的一种实现方式，而悲观锁比较典型的就是<code>Java</code>中的<code>synchronized</code>。下面我就来详细介绍一下<code>CAS</code>的相关概念。</p>
<br>

<h3 id="emsp-2-2-什么是CAS？"><a href="#emsp-2-2-什么是CAS？" class="headerlink" title="&emsp;2.2 什么是CAS？"></a>&emsp;2.2 什么是CAS？</h3><p>&emsp;&emsp;<code>CAS</code>全称<code>compare and swap</code>——比较并替换，它是并发条件下修改数据的一种机制，包含三个操作数：</p>
<blockquote>
<ul>
<li>需要修改的数据的内存地址（V）；</li>
<li>对这个数据的旧预期值（A）；</li>
<li>需要将它修改为的值（B）；</li>
</ul>
</blockquote>
<p>&emsp;&emsp;CAS的操作步骤如下：</p>
<blockquote>
<ol>
<li>修改前记录数据的内存地址V；</li>
<li>读取数据的当前的值，记录为A；</li>
<li>修改数据的值变为B；</li>
<li>查看地址V下的值是否仍然为A，若为A，则用B替换它；若地址V下的值不为A，表示在自己修改的过程中，其他的线程对数据进行了修改，则不更新变量的值，而是重新从步骤2开始执行，这被称为<strong>自旋</strong>；</li>
</ol>
</blockquote>
<p>&emsp;&emsp;通过以上四个步骤对内存中的数据进行修改，就可以保证数据修改的原子性。<code>CAS</code>是乐观锁的一种实现，所以这里介绍的步骤和乐观锁的定义差不多，还是很好理解的。</p>
<br>

<h3 id="emsp-2-3-Java中CAS的使用"><a href="#emsp-2-3-Java中CAS的使用" class="headerlink" title="&emsp;2.3 Java中CAS的使用"></a>&emsp;2.3 Java中CAS的使用</h3><p>&emsp;&emsp;<code>Java</code>中大量使用的<code>CAS</code>，比如，在<code>java.util.concurrent.atomic</code>包下有很多的原子类，如<code>AtomicInteger</code>、<code>AtomicBoolean</code>……这些类提供对<code>int</code>、<code>boolean</code>等类型的原子操作，而底层就是通过<code>CAS</code>机制实现的。比如<code>AtomicInteger</code>类有一个实例方法，叫做<code>incrementAndGet</code>，这个方法就是将<code>AtomicInteger</code>对象记录的值<code>+1</code>并返回，与<code>i++</code>类似。但是这是一个原子操作，不会像<code>i++</code>一样，存在线程不一致问题，因为<code>i++</code>不是原子操作。比如如下代码，最终一定能够保证<code>num</code>的值为<code>200</code>：</p>
<figure class="highlight java"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br><span class="line">4</span><br><span class="line">5</span><br><span class="line">6</span><br><span class="line">7</span><br><span class="line">8</span><br><span class="line">9</span><br><span class="line">10</span><br><span class="line">11</span><br><span class="line">12</span><br><span class="line">13</span><br><span class="line">14</span><br><span class="line">15</span><br><span class="line">16</span><br><span class="line">17</span><br><span class="line">18</span><br><span class="line">19</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line"><span class="comment">// 声明一个AtomicInteger对象</span></span><br><span class="line">AtomicInteger num = <span class="keyword">new</span> AtomicInteger(<span class="number">0</span>);</span><br><span class="line"><span class="comment">// 线程1</span></span><br><span class="line"><span class="keyword">new</span> Thread(()-&gt;&#123;</span><br><span class="line">    <span class="keyword">for</span> (<span class="keyword">int</span> i = <span class="number">0</span>; i &lt; <span class="number">100</span>; i++) &#123;</span><br><span class="line">        <span class="comment">// num++</span></span><br><span class="line">        num.incrementAndGet();</span><br><span class="line">    &#125;</span><br><span class="line">&#125;).start();</span><br><span class="line"><span class="comment">// 线程2</span></span><br><span class="line"><span class="keyword">new</span> Thread(()-&gt;&#123;</span><br><span class="line">    <span class="keyword">for</span> (<span class="keyword">int</span> i = <span class="number">0</span>; i &lt; <span class="number">100</span>; i++) &#123;</span><br><span class="line">        <span class="comment">// num++</span></span><br><span class="line">        num.incrementAndGet();</span><br><span class="line">    &#125;</span><br><span class="line">&#125;).start();</span><br><span class="line"></span><br><span class="line">Thread.sleep(<span class="number">1000</span>);</span><br><span class="line">System.out.println(num);</span><br></pre></td></tr></table></figure>

<p>&emsp;&emsp;我们看看<code>incrementAndGet</code>方法的源码：</p>
<figure class="highlight java"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line"><span class="function"><span class="keyword">public</span> <span class="keyword">final</span> <span class="keyword">int</span> <span class="title">incrementAndGet</span><span class="params">()</span> </span>&#123;</span><br><span class="line">    <span class="keyword">return</span> unsafe.getAndAddInt(<span class="keyword">this</span>, valueOffset, <span class="number">1</span>) + <span class="number">1</span>;</span><br><span class="line">&#125;</span><br></pre></td></tr></table></figure>

<p>&emsp;&emsp;这里使用了一个<code>unsafe</code>对象，而<code>unsafe</code>对象是什么呢？我们知道，<code>Java</code>并不能像<code>C或C++</code>一样，直接操作内存，但是<code>JVM</code>为我们提供了一个后门，就是<code>sun.misc.Unsafe</code>类，这个类为我们实现了很多硬件级别的原子方法，当然，这些方法都是<code>native</code>方法，使用其他语言实现，而不是<code>Java</code>方法。而上面的另外一个变量<code>valueOffset</code>就是我们需要修改的变量在内存中的偏移量。也许上面这个方法并不能让你感觉使用了<code>CAS</code>，那再看看下面这个方法：</p>
<figure class="highlight java"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line"><span class="function"><span class="keyword">public</span> <span class="keyword">final</span> <span class="keyword">boolean</span> <span class="title">compareAndSet</span><span class="params">(<span class="keyword">int</span> expect, <span class="keyword">int</span> update)</span> </span>&#123;</span><br><span class="line">    <span class="keyword">return</span> unsafe.compareAndSwapInt(<span class="keyword">this</span>, valueOffset, expect, update);</span><br><span class="line">&#125;</span><br></pre></td></tr></table></figure>

<p>&emsp;&emsp;<code>compareAndSet</code>是<code>AtomicInteger</code>的另一个方法，它的作用就是给定一个预期的旧值<code>expect</code>，以及需要更新为的值<code>update</code>，若当前变量的值是<code>expect</code>，就将其修改为<code>update</code>，否则不修改（这不就是CAS的思想吗）。而它底层调用了<code>unsafe</code>对象的<code>compareAndSwapInt</code>方法，从这个名字可以看出，它的实现使用的就是<code>CAS</code>。<code>compareAndSwapInt</code>的三个参数<code>valueOffset</code>、<code>expect</code>以及<code>update</code>，刚好对应了<code>CAS</code>操作的三个操作数。</p>
<br>

<h3 id="emsp-2-4-CAS机制的ABA问题"><a href="#emsp-2-4-CAS机制的ABA问题" class="headerlink" title="&emsp;2.4 CAS机制的ABA问题"></a>&emsp;2.4 CAS机制的ABA问题</h3><p>&emsp;&emsp;<code>CAS</code>机制虽然简单，但是也存在一些缺陷，其中比较典型的就是<code>ABA</code>问题。什么是<code>ABA</code>问题，我简单介绍一下：</p>
<ol>
<li>假设有三个线程<code>T1</code>、<code>T2</code>和<code>T3</code>，它们都要对一个变量<code>num</code>的值进行修改，且使用的都是<code>CAS</code>机制进行同步，假设<code>num</code>的初始值为<code>100</code>；</li>
<li>线程<code>T1</code>首先读取了<code>num</code>的值，将它记录为旧预期<code>A1 = 100</code>，然后它想要将<code>num</code>的值修改为<code>80</code>，记录<code>B2 = 80</code>，在执行<code>num = B2</code>前，线程发生了切换，切换到线程<code>T2</code>；</li>
<li>假设<code>T2</code>毫无阻碍地修改了<code>num</code>的值，将它从<code>100</code>修改为<code>80</code>，然后线程再度切换，<code>T3</code>开始执行；</li>
<li><code>T3</code>也是毫无阻碍地修改了<code>num</code>，将它从<code>80</code>重新修改为<code>100</code>，线程再次切换回<code>T1</code>；</li>
<li><code>T1</code>从上次运行的断点恢复，也就是准备用<code>B1</code>的值覆盖<code>num</code>，但是由于<code>CAS</code>机制，它需要先检测<code>num</code>的值是否等于它记录的预期值<code>A1</code>，然后它发现<code>A1 = num = 100</code>，认为<code>num</code>没有被修改过，于是用<code>B1</code>覆盖了<code>num</code>；</li>
</ol>
<p>&emsp;&emsp;上面这种情况就是<code>CAS</code>的<code>ABA</code>问题：一个变量被修改，但是又被改了回去，在<code>CAS</code>机制中，将无法察觉这种错误的现象。在线程<code>T1</code>被中断的过程中，<code>num</code>的值被修改，按照<code>CAS</code>的原则，<code>T1</code>应该放弃对<code>num</code>的修改，从头开始执行。有人可能想问，修改回去之后，不就和没修改一样吗，有什么影响呢？乍一看确实如此，但是我们考虑实际的应用场景，就会发现有些情况下会出现问题，举个简单的例子：</p>
<blockquote>
<p>假设有一个栈，多个线程同时对栈进行操作，使用CAS机制进行线程同步，将栈顶元素作为预期值进行判断。假设一个线程需要对栈顶元素进行修改，再它修改期间，另一个线程进行了出栈操作，假设在栈中存在重复元素，第二个线程执行完出栈后，新的栈顶元素与原来的相等，而第一个线程检查栈顶元素与预期值相同，于是将修改同步到了栈中。但是，此时发生了ABA问题，当前的栈顶已经不是原来的栈顶了。</p>
</blockquote>
<p>&emsp;&emsp;对于<code>ABA</code>问题的解决方案也非常简单，那就是再添加一个变量——版本号。每个变量都加上一个版本号，在它被修改时，也同步修改版本号，而<code>CAS</code>操作在修改前记录版本号，若在最后更新变量时，记录的版本号与当前版本号一致，表示没有被修改，可直接更新。</p>
<br>

<h3 id="emsp-2-5-CAS的优缺点以及适用场景"><a href="#emsp-2-5-CAS的优缺点以及适用场景" class="headerlink" title="&emsp;2.5 CAS的优缺点以及适用场景"></a>&emsp;2.5 CAS的优缺点以及适用场景</h3><p>&emsp;<strong>（1）优点</strong></p>
<p>&emsp;&emsp;前面也提到过，<code>CAS</code>是一种乐观锁，其优点就是不需要加锁就能进行原子操作；</p>
<p>&emsp;<strong>（2）缺点</strong></p>
<p>&emsp;&emsp;<code>CAS</code>的缺点主有两点：</p>
<ul>
<li><code>CAS</code>机制只能用在对某一个变量进行原子操作，无法用来保证多个变量或语句的原子性（<code>synchronized</code>可以）；</li>
<li>假设在修改数据的过程中经常与其他线程修改冲突，将导致需要多次的重新尝试；</li>
</ul>
<p>&emsp;<strong>（3）适用场景</strong></p>
<p>&emsp;&emsp;由上面分析的优缺点可以看出，<code>CAS</code>适用于并发冲突发生频率较低的场合，而对于并发冲突较频繁的场合，<code>CAS</code>由于不断重试，反倒会降低效率。</p>
<br>

<h2 id="三、总结"><a href="#三、总结" class="headerlink" title="三、总结"></a>三、总结</h2><p>&emsp;&emsp;<code>CAS</code>是一种在并发下实现原子操作的机制，但是只能用来保证一个变量的原子性，适用于并发冲突频率较低的场合。</p>
<br>

<h2 id="四、参考"><a href="#四、参考" class="headerlink" title="四、参考"></a>四、参考</h2><p>&emsp;&emsp;推荐两篇描述CAS的博客，这两篇博客通过漫画对CAS进行了非常详细的描述：</p>
<ul>
<li><a href="https://mp.weixin.qq.com/s/f9PYMnpAgS1gAQYPDuCq-w" target="_blank" rel="noopener">https://mp.weixin.qq.com/s/f9PYMnpAgS1gAQYPDuCq-w</a></li>
<li><a href="https://mp.weixin.qq.com/s/nRnQKhiSUrDKu3mz3vItWg" target="_blank" rel="noopener">https://mp.weixin.qq.com/s/nRnQKhiSUrDKu3mz3vItWg</a></li>
</ul>

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    最后更新时间：<time datetime="2020-05-23T19:55:25.858Z" itemprop="dateUpdated">2020-05-24 03:55:25</time>
</span><br>


        
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